2015年济南地区雾霾天气过程大气物理量特征初步分析

文中对比分析了2015年29个雾、霾及雾霾混合天气过程中,章丘探空站L波段探空雷达和山东省气象局院内德国14通道地基微波辐射计观测的温度资料。对观测数据实施了质量控制,检验了精度和可信度,统计分析了宏观物理参量特征和日变化规律。针对雾、霾及雾霾天气过程各选取了一个个例进行分析,分析了大气中PM_2.5、PM₁₀、SO₂、NO₂、O₃、CO含量的变化情况,分析了相对湿度、液态水路径和综合水汽含量等的变化情况。结果表明:两种观测数据一致性较好,拟合优度高于0.97;贴地逆温层存在一定的季节变化,悬垂逆温层存在一定的差异,逆温层的变化、污染参量变化与雾霾的形成有密切关系;不同天气背景对大气物理参量有较大的影响,PM₁₀、AQI（空气质量指数）和CO均在相同时间段出现峰值,有明显的起伏;CO峰值雾霾天气中尤为明显,由早到晚随时间峰值逐渐增大,雾天和霾天峰值较小,雾霾天气明显大于雾天或霾天。     

环北京地区积层混合云微物理结构飞机联合探测研究

利用北京、山西和河北三省市飞机在环北京地区探测的积层混合云微物理结构特征资料,结合卫星等宏观观测资料,分析了环北京地区积层混合云系空间云微物理结构特征。结果显示,冷锋云系前部,云内部微物理参数空间分布不均匀,2700m以上较大,垂直方向云粒子浓度和直径呈正相关关系,浓度极值间差7个量级,大滴粒子浓度差7个量级,降水粒子浓度差6个量级,水平方向云粒子浓度和直径分布不均匀,呈反相关关系。冷锋云系中部,云微物理参数垂直分布不均匀,在2500～3600m和4000m以上高度层出现云粒子峰值,且云粒子浓度和直径呈反相关关系,云滴粒子浓度极值间差6个量级,大滴粒子浓度差7个量级,降水粒子浓度差5个量级,水平方向云粒子分布不均匀,云粒子浓度和直径呈反相关关系。冷锋云系前部,云粒子谱在4800m高度谱型为单峰谱,4200m高度谱型多峰分布,3600m高度谱型为双峰谱。云降水粒子谱三高度层谱型差异不大,4800m高度谱型为单调递减谱,峰值在小粒子端（≤100μm）,4200m和3600m高度谱型相似,为双峰谱,峰值分别在≤小于100μm和230μm处。降水粒子谱三高度层谱型相似,都为单峰谱,峰值相差不大。冷锋云系中部,云粒子谱在三高度层谱型差异较大,4800m高度谱型为单峰谱,峰值在小滴端,4200m高度谱型为单峰谱,峰值在15μm处,3600m高度谱型为双峰谱,峰值分别在7μm和30μm处。云降水粒子谱三高度层谱型差异不大,4800m高度谱型为单调递减谱,峰值在小粒子端（≤100μm）,4200m和3600m高度谱型相似,为双峰谱,峰值分别在≤100μm和200μm处。降水粒子谱三高度层谱型相似,都为单峰谱,峰值相差不大。     

山东不同云系降水微物理参数特征

研究不同云系降水的微物理参数特征,对研究降水机制、人工影响天气、雷达定量测量降水、数值预报模式中微物理参数化方案的选择等都有一定意义。本文针对2015年济南地区的液态降水过程,基于微降水雷达(Micro Rain Radar,简称MRR)资料,研究不同云系降水的微物理参数。在400 m高度上,层状云降水0.02~0.2 mm h-1雨强样本数很大,但对累计降水量的贡献很小。混合云和对流云降水在大粒子端数浓度较高。在垂直方向上,层状云降水中的粒子的尺度较集中,中值体积直径D0平均在1 mm左右,随高度的变化不大。对流云降水在雨强大于20 mm h-1时,强垂直气流(包括上升气流和下沉气流)对粒子直径的影响较大,进而影响空中微降水雷达反演降水参数的数据质量。而垂直气流的影响对层状云降水影响较小,在层状云降水时,微降水雷达可以用来分析零度层亮带以下雨滴谱在垂直方向上的演变。     

一次降水性积层混合云系的微物理特征分析

利用山东省2007年10月27日1架次机载粒子测量系统（Particles Measuring System,PMS）积层混合云探测资料,分析了云中粒子浓度和尺度、液态含水量,以及小云滴和大云滴谱的垂直分布特征,比较了催化前后云微物理特征的变化。结果表明,催化前,云层中小云滴谱型为单峰,谱宽随高度增加先变窄后变宽,大云滴谱型在云低层为单峰,中高层为双峰谱,谱宽随高度增加先变宽后变窄,并且没有探测到降水粒子。催化后,小云滴尺度在低层减小、高层增加,整层液态水含量减小;大云滴浓度增加,尺度增大,出现降水粒子,固态粒子类型增多。在3 700~4 000 m高度层内小于10μm粒子明显增加,说明凝结过程比较明显,并且10~27.5μm粒子开始出现,启动了云滴的碰并机制。小云滴谱变化较小,基本为单峰谱,但在较大云滴处谱型略有起伏,在3 000m和3 300m高度的谱宽增宽。大云滴粒子谱有较大的变化,低层变成双峰谱,谱宽最宽可达650μm,中高层为双峰或多峰,峰值从小值向较大值移动。2D-P探头在催化云高层探测到降水粒子,谱型呈单调下降形态,谱宽最大为600μm。     

2003年8～9月北京及周边地区云系微物理飞机探测研究

对2003年8～9月北京及周边地区4次飞机探测结果，特别对资料较完整的8月15日的层积云（Sc）和9月4日的层状云（St）系进行了较详细的分析。结果表明，FSSP－100测量的小云粒子（云滴、冰晶）最大浓度的变化范围从Sc云的120 cm-3到深厚高层云（As）的183 cm-3，平均直径7.22～16.05 μm。2D－GA2探头观测的冰粒子最大浓度变化范围从2.25×10-3 cm-3到3.29×10-1 cm-3。机载King热线液态水含量仪（King－LWC）的最大含水量变化范围为0.42～0.69 g/m3。St云垂直和水平分布不均匀特性很明显，高空（-10℃层以上）有较大的小云粒子浓度，达到120 cm-3以上，尺度也比较大，最大值为20 μm。云中液态水含量随高度缓慢减小，基本处于0.1～0.2 g/m3的范围。在-5.9～-8℃层，主要是柱状冰晶和少量结淞体，-8～-12℃层显示基本为结淞粒子，-20℃层左右表现出较多的枝状冰粒子。大冰粒子浓度基本在0.01～1 L-1左右。Sc云和St云的平均谱存在明显的差异。Sc云系的大粒子不同层的平均谱很相似，为单峰分布，谱宽达到1500 μm。越到云低层，云粒子浓度越低。St云系的大粒子不同层的谱分布差异比较大，云中在0～-8℃和-8～-12℃层，直径小于400 μm的粒子谱型基本相似，大于400 μm的大粒子谱分布差异较大，-8～-12℃层有明显的双峰分布特征，而0～-8℃呈现多峰特征，谱宽达到1300～1400 μm。     

利用机载探测设备研究云中零度层附近云雷达反射率 与液态含水量的关系

利用机载Ka波段云雷达(an airborne Ka-band Precipitation cloud Radar,KPR)与DMT(Droplet Measurement Technologies)粒子测量系统对山东一次积层混合云进行同步穿云观测。对获取的KPR资料进行飞行轨迹误差订正和数据插值处理,与DMT粒子测量系统计算的云中的液态含水量进行相关性研究。从试验飞行云层中选取了两段云区,共划分成9个时段(累计飞行18min)展开讨论,其中有3个时段相关性比较好,相关系数超过0.7,并且利用相关系数最大的时段拟合出KPR反射率与云中液态含水量之间的关系式。针对每个时段的粒子特征参数、云滴谱型、冰晶谱型及典型粒子图像展开详细分析,结果表明,较强相关性时段内,大云滴浓度要高于小云滴,且观测粒子多为小于100μm的小粒子;较弱相关性时段,CIP(Cloud Imaging Probe)探头观测到的粒子多为针状或板状冰晶,尺度为毫米量级。     

利用机载探测设备研究云中零度层附近云雷达反射率与液态含水量的关系

利用机载Ka波段云雷达（an airborne Ka-band Precipitation cloud Radar, KPR）与DMT （Droplet Measurement Technologies）粒子测量系统对山东一次积层混合云进行同步穿云观测。对获取的KPR资料进行飞行轨迹误差订正和数据插值处理,与DMT粒子测量系统计算的云中的液态含水量进行相关性研究。从试验飞行云层中选取了两段云区,共划分成9个时段（累计飞行18 min）展开讨论,其中有3个时段相关性比较好,相关系数超过0.7,并且利用相关系数最大的时段拟合出KPR反射率与云中液态含水量之间的关系式。针对每个时段的粒子特征参数、云滴谱型、冰晶谱型及典型粒子图像展开详细分析,结果表明,较强相关性时段内,大云滴浓度要高于小云滴,且观测粒子多为小于100 μm的小粒子;较弱相关性时段,CIP（Cloud Imaging Probe）探头观测到的粒子多为针状或板状冰晶,尺度为毫米量级。     

山东冰雹形成机制及雹云催化技术模拟——个例研究

利用中国科学院大气物理研究所开发的三维全弹性冰雹云模式,对2006年7月5日山东境内一次以冰雹、雷雨大风为主的强对流过程进行模拟,分析了冰雹的形成机制。结果表明:79%左右的冰雹胚胎是霰,雹胚以霰为主,霰主要来自于冰雪晶与过冷雨水碰撞冻结以及雪的自动转换过程,霰形成后主要靠碰并过冷云水、雨水增长,而冰雹主要质量来源是霰的自动转化以及碰并过冷云水增长。人工催化试验表明:在强对流云中冰雹含量达到0.1 g·m^-3前1～4 min进行催化,能有效抑制冰雹粒子的增长,在过冷水含量中心(5.5 km)上方1.0～1.5 km催化防雹效果较好,在其下方催化防雹效果较差;剂量越大防雹效果越好。AgI主要以凝华核的作用产生人工冰晶,冰晶凝华增长导致过冷云水含量降低。催化后雹胚特别是霰胚的数量增多,对过冷云水的竞争增强,其平均尺度、质量均减小,降低了雹胚向冰雹的转化率。冰雹碰并过冷云水增长也被减弱,导致冰雹总质量进一步减少。     

基于微雨雷达的降水参数反演和粒子相态识别

本文基于微雨雷达原始的后向散射信号,采用一种新的功率谱处理算法（RaProM算法）,在功率谱计算、噪声去除、退模糊等处理的基础上计算了雷达基本参量,并反演了液态降水参数,例如雷达反射率因子、雨强等,并对粒子相态进行识别。RaProM算法综合考虑粒子下落速度、等效雷达反射率因子、不同相态粒子的尺度特征以及是零度层亮带位置等信息,可识别的粒子相态包括雪、毛毛雨、雨、冰雹以及混合相态。选取了三个山东地区较为典型的个例对RaProM反演算法进行验证,即2021年7月2日典型层状云降水个例、2019年12月25日雨雪转换个例以及2018年3月4日零度层高度逐渐降低的降水个例。结果显示：粒子识别方法应用于典型层状云降水,垂直方向上不同相态粒子的分层较为明显,过冷层里的固态降水雪花、零度层附近冰水转换区的混合相态降水以及零度层以下的液态降水符合现有认识,验证了反演算法以及粒子识别算法的有效性。将结果进一步在雨雪转换降水相态识别中和零度层高度的检测,该反演算法均能得到较好应用,与同址同步观测的微波辐射计、云雷达、二维视频雨滴谱仪等观测结论一致。另外,与微雨雷达标准反演算法对比,RaProM算法的优势是...     

十一运会开幕式消（减）雨作业数值模拟研究

利用中科院大气所开发并发展的三维对流云模式对十一届全运会开幕式当天影响山东的对流过程进行了数值模拟和过量催化试验。结果表明模拟自然云与观测事实吻合较好;设计96组催化方案对该个例进行消(减)雨模拟试验、催化试验表明,在模拟云3.5km高度的最大过冷水含量中心引入3600.0g碘化银催化剂,连续催化消(减)雨效果较好(地面降水总量减少97.5%),此次模拟对比分析了模拟自然云与催化云,从微观上探讨了消(减)雨的基本原理,模拟所用催化剂量、催化部位与当天山东人影办的作业实际基本一致,对指导实际作业有一定的参考价值。